Исследователи определили звуковые сигналы разрушения стеклопластика для раннего контроля конструкций

❋ 4.7

Когда вы едете по новому мосту, летите в самолете или видите ветряк на горизонте, вы, скорее всего, смотрите на стеклопластик — материал, который в 5 раз легче стали, не ржавеет и не боится химии. Однако серьезные повреждения в нем часто развиваются внутри и остаются невидимыми. Их можно услышать, но до сих пор остается малоизученным, как «звучит» каждое конкретное повреждение. Ученые Пермского Политеха системно изучили звуки, которые издает стеклопластик при разрушении. Они впервые в России разработали способ для имитирования нанесения внешних дефектов с регистрацией акустических сигналов. Теперь, анализируя их, можно точно диагностировать внутренние повреждения и предотвратить аварию.

ПНИПУ

# безопасность

# звуки

# материалы

# разрушения

# стеклопластик

Нанесение вмятины / © Е. Чеботарева, Проблемы прочности и пластичности

Стеклопластик — это материал, который сегодня можно найти повсюду. Из него делают несущие балки и арматуру для мостов, лопасти ветряков, детали самолетов и поездов, а также трубы, которые не ржавеют. Он незаменим в корпусах лодок и деталях автомобилей, в спортивном инвентаре и в простых, но крепких вещах — от легких лестниц и дачной мебели до прочных ванн и душевых кабин.

Стеклопластик легче стали в пять раз, что позволяет самолетам экономить тонны топлива, а ветрякам — ловить даже слабый ветер. Он не ржавеет, не боится ни воды, ни солей, ни многих химикатов. И из него можно создавать детали сложной формы — например, цельнолитые корпуса яхт, обтекаемые крылья самолетов или футуристичные элементы городской архитектуры, которые невозможно сделать из традиционных материалов.

Секрет свойств кроется в продуманном строении материала. Это идеально сконструированный «сэндвич». Его основу составляют тончайшие нити стекловолокна, которые берут на себя нагрузку, как стальная арматура в бетоне. Они погружены в полимерную смолу, которая служит одновременно клеем, защитой и распределителем напряжения.

Однако у этого суперматериала есть недостаток. Его идеальное слоеное строение становится источником скрытой угрозы. При ударе — например, когда погрузчик в аэропорту слегка задевает обшивку самолета или на парковке автомобиль цепляет столбик бампером — на поверхности может остаться лишь небольшая вмятина или царапина. Но внутри, между слоями, запускается невидимый процесс: связь между волокнами и смолой нарушается, и они начинают отрываться друг от друга. Этот процесс называется расслоением. Конструкция снаружи выглядит абсолютно целой, но ее прочность тает: она может выдержать еще сто нагрузок, а может развалиться при следующей.

Выявить такие скрытые повреждения традиционными методами сложно. Простой визуальный осмотр в этом случае бесполезен. Более сложные и дорогие технологии — ультразвуковой контроль, рентген или тепловизоры — имеют свои недостатки. Они часто требуют точного знания места удара, сложны в применении на крупных объектах вроде лопастей ветряков или крыльев самолета и не всегда могут зафиксировать начало расслоения, особенно на ранних стадиях, когда его очень важно обнаружить. Из-за этого опасный дефект может оставаться невидимым вплоть до внезапного разрушения конструкции.

Процесс нанесения повреждений с контролируемой нагрузкой / © Е. Чеботарева, Проблемы прочности и пластичности

Провести раннюю диагностику можно с помощью акустической эмиссии. Ее ключевое отличие в том, что не ищется уже существующий дефект извне, а «слушается» сам материал. В момент, когда внутри композита происходит микросдвиг — зарождается трещина или продвигается расслоение — излучается высокочастотный звуковой импульс. Задача — уловить и расшифровать этот сигнал. Акустическая эмиссия не требует полного разрушения материала, датчики крепятся на поверхность контролируемого объекта, что позволяет оценивать состояние конструкции во время эксплуатации. Этот метод не требует громоздкого оборудования и специальных условий.

До сих пор оставалось малоизученным, какой именно звук соответствует каждому конкретному типу разрушения стеклопластика. Не было четких данных, позволяющих по акустическому сигналу отличить безобидный дефект от того, что ведет к катастрофе.

Ученые ПНИПУ изучили и установили четкое соответствие между типом повреждения в стеклопластике и конкретным звуковым сигналом, чтобы в дальнейшем эти данные использовать для идентификации разрушения во время эксплуатации. Статья опубликована в научном журнале «Проблемы прочности и пластичности».

— Мы взяли образцы и начали их системно повреждать, моделируя самые распространенные типы дефектов. С помощью специального оборудования наносили вмятины разной силы и царапины стальным лезвием. В сам момент воздействия и после него сверхчувствительные датчики фиксировали каждый звук, щелчок и треск, который возникал внутри, — отметил Дмитрий Лобанов, старший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ, кандидат технических наук.

Образцы после нагружения / © Е. Чеботарева, Проблемы прочности и пластичности

Это позволило сравнить, как «звучат» поверхностные повреждения и глубокие внутренние разрушения. Затем эти же, уже поврежденные образцы, специалисты растягивали на испытательной машине, доводя их до полного разрыва, и снова записывали весь спектр звуков.

— Мы установили четкие соответствия: глухой треск в диапазоне 50–120 кГц означает, что в смоле появилась микротрещина. В таком случае у нас есть время — мы можем занести этот участок в список наблюдения и контролировать его в ходе плановых проверок, не останавливая эксплуатацию конструкции. Отчетливый щелчок на 180–350 кГц — это уже сигнал о начале опасного расслоения. Он значит, что повреждение перешло в активную фазу, и необходимо срочно планировать ремонт, чтобы остановить разрушение. Наконец, резкий высокочастотный сигнал на 400–600 кГц — это финальный сигнал, означающий разрыв несущих волокон. Для нас это равнозначно экстренной ситуации: элемент исчерпал ресурс, и дальнейшая его эксплуатация недопустима, — объясняет Екатерина Чеботарева, младший научный сотрудник Центра экспериментальной механики ПНИПУ.

Эти данные необходимы для создания интеллектуальных датчиков и систем. Критически важные объекты — от опор мостов и лопастей ветрогенераторов до силовых элементов летательных аппаратов — можно будет оснастить автономными сетями таких акустических датчиков. Эти системы, постоянно «слушая» материал в реальном времени, позволят не просто обнаружить дефект, а рассчитать остаточный ресурс поврежденной детали, точно ответить на вопрос: сколько циклов нагрузки или времени безопасной работы осталось, и автоматически сформировать предупреждение для служб эксплуатации.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.